楊立勇，李廣山，李 剛，姜 楠，董 帥，蔡浩飛，林小杰

（1. 華能伊敏煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021130；2. 中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；3. 浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310027）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的減排目標(biāo)，工業(yè)低碳能源系統(tǒng)是關(guān)鍵技術(shù)之一。工業(yè)低碳能源系統(tǒng)需要電熱互相補(bǔ)充，其中蒸汽在熱方面占據(jù)主要地位。中國(guó)主要工業(yè)品平均蒸汽消耗強(qiáng)度比國(guó)際水平高出約30%［1］。此外，除蒸汽之外，能量載體在運(yùn)輸過(guò)程中表現(xiàn)出不同時(shí)間尺度的各種動(dòng)力學(xué)和慣性，已被研究并應(yīng)用于電熱綜合能源系統(tǒng)調(diào)度［2-3］。在這種背景下，需要揭示蒸汽輸送動(dòng)力學(xué)和熱慣性之間的物理關(guān)系，并量化它們之間的關(guān)系，將蒸汽作為儲(chǔ)能資源參與電熱綜合能源系統(tǒng)調(diào)度，有助于降低運(yùn)行成本和碳排放。

目前已有較多關(guān)于電熱綜合能源系統(tǒng)的研究。葉琪超等人［4］從負(fù)荷預(yù)測(cè)、運(yùn)行策略和系統(tǒng)評(píng)價(jià)等角度梳理了已有電熱綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。陳虹等人［5］針對(duì)電熱綜合能源系統(tǒng)，從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化配置方法展開(kāi)研究。鞠文韜等人［6］建立了考慮綜合柔性負(fù)荷響應(yīng)的多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度模型。姜濤等人［7］針對(duì)冬季冷熱電聯(lián)供與熱電負(fù)荷供需矛盾問(wèn)題，建立源-儲(chǔ)協(xié)同運(yùn)行的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型。

在電熱綜合能源系統(tǒng)領(lǐng)域，現(xiàn)有研究以穩(wěn)態(tài)建模為主。陳群等人［8］基于熱系統(tǒng)中基本元件的結(jié)構(gòu)特性提出統(tǒng)一輸運(yùn)模型。陳鴻偉等人［9］利用機(jī)理和數(shù)據(jù)結(jié)合的方法建立了混合蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型。李祥立等人［10］提出了利用分段積分法求解蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型。

在長(zhǎng)輸過(guò)程中，當(dāng)蒸汽用能需求減少時(shí)，能夠作為存儲(chǔ)介質(zhì)暫時(shí)貯存在管道中，這種現(xiàn)象被稱為蒸汽的管存效應(yīng)［11］，可作為虛擬儲(chǔ)能設(shè)備參與工業(yè)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化。Tian 等人［12］建立了考慮動(dòng)態(tài)時(shí)延特性的區(qū)域高溫高壓供熱模型。Mikko等人［13］基于供熱網(wǎng)絡(luò)容量及實(shí)時(shí)供熱參數(shù)，量化了供熱網(wǎng)絡(luò)的輸運(yùn)能量損耗。郝俊紅等人［14］計(jì)及熱網(wǎng)延遲與衰減特性，并基于熱能量流法構(gòu)建了供熱網(wǎng)絡(luò)模型，分析得到存在最佳的換熱器面積和循環(huán)水流量上限，使得總運(yùn)行成本最低。鐘崴等人［15-16］利用溫度、流量的變化定義了蒸汽管道總蓄熱量的計(jì)算方法，將蒸汽網(wǎng)絡(luò)與儲(chǔ)熱罐進(jìn)行比擬，從而量化蒸汽管道管存。林小杰等人［17-18］利用APROS平臺(tái)，根據(jù)管網(wǎng)規(guī)模及供回水溫度定義了管道的實(shí)時(shí)管存量和響應(yīng)完成時(shí)間，獲得了熱網(wǎng)滯后性遠(yuǎn)大于蒸汽網(wǎng)絡(luò)的結(jié)論。

然而，目前對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)管存特性量化的研究都停留在刻畫(huà)儲(chǔ)能潛力或?qū)崟r(shí)儲(chǔ)能情況等某一方面的性能，缺少通用性、系統(tǒng)性的能源網(wǎng)絡(luò)管存特性量化評(píng)估體系。

基于以上研究，本文建立了工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型和管存特性量化模型。首先，基于一維管道蒸汽不穩(wěn)定流動(dòng)機(jī)理模型，利用傅里葉變換將時(shí)域下偏微分方程組轉(zhuǎn)化為復(fù)域下的常微分方程組，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束獲得單頻率下?tīng)顟B(tài)參數(shù)的解析解；其次，提出了能源網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能特性關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)3個(gè)指標(biāo)對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能潛力及實(shí)時(shí)利用情況進(jìn)行綜合量化。

1 工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)水力模型

由于管道約束的存在，蒸汽的輸運(yùn)過(guò)程表現(xiàn)為一維不穩(wěn)定流動(dòng)，可用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程刻畫(huà)［19］。同時(shí)，為使方程封閉，必須補(bǔ)充蒸汽的狀態(tài)方程和焓方程，模型如式（1）所示。

式中：t為時(shí)間；x為距離；ρ為蒸汽密度；v為蒸汽流速；p為蒸汽壓力；θ為管道傾斜角度；λ為管道沿程摩阻系數(shù)；D為管道內(nèi)徑；h為蒸汽比焓；u為蒸汽比內(nèi)能；K為傳熱系數(shù)；T為蒸汽溫度；Tus為環(huán)境溫度。

引入傅里葉變換，將上述時(shí)域下的偏微分方程組分析運(yùn)算轉(zhuǎn)化為復(fù)域下的常微分方程組代數(shù)運(yùn)算，根據(jù)入口處的邊界條件，可以得到管道出口處頻率分量下的解析解，如式（2）所示。

在得到管道解析解之后，即可結(jié)合式（3）描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膱D形模型計(jì)算整個(gè)蒸汽系統(tǒng)模型。

式中：Gn為質(zhì)量流量的節(jié)點(diǎn)向量；Ag為拓?fù)渚仃?；Pn為壓力的節(jié)點(diǎn)向量。

2 流體網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管存特性量化模型

2.1 儲(chǔ)能特性關(guān)鍵參數(shù)

結(jié)合廣義儲(chǔ)能設(shè)備的特點(diǎn)，根據(jù)傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì)和量化經(jīng)驗(yàn)，凝練了5個(gè)廣義儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能特性關(guān)鍵參數(shù)，以支撐流體網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管存特性的量化。

1）必須儲(chǔ)能量

某調(diào)度周期內(nèi)廣義儲(chǔ)能設(shè)備的必須儲(chǔ)能量描述為：

式中：Si，es為廣義儲(chǔ)能設(shè)備的必須儲(chǔ)能量；QA和QB分別為儲(chǔ)能曲線的最高、最低點(diǎn)。

2）最大、最小儲(chǔ)能量

最大、最小儲(chǔ)能量與傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備中的額定容量對(duì)應(yīng)，能夠刻畫(huà)流體網(wǎng)絡(luò)的可行儲(chǔ)能空間。

式中：Rg，i為氣體常數(shù)；和分別為廣義儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)、出口的最大壓力；和分別為廣義儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)、出口的最小壓力；Ai為第i個(gè)管道的截面面積；Li為第i個(gè)管道的長(zhǎng)度；T為氣體溫度；Np為管道數(shù)。

3）儲(chǔ)/放能速率

儲(chǔ)/放能速率刻畫(huà)廣義儲(chǔ)能設(shè)備的實(shí)時(shí)供需不平衡性，通過(guò)注入、流出廣義儲(chǔ)能設(shè)備的能量計(jì)算。

式中：Srt(t)為儲(chǔ)/放能速率；Gin(t)和Gout(t)分別為t時(shí)刻注入、流出流體能量。

4）累積儲(chǔ)/放能變化量

累積儲(chǔ)/放能變化量描述廣義儲(chǔ)能設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中圍繞初始蓄能量的波動(dòng)情況，受最大、最小儲(chǔ)能量約束。

5）當(dāng)前儲(chǔ)能量

當(dāng)前儲(chǔ)能量描述流體網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)貯存的能量，可以用于刻畫(huà)廣義儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)剩余的能量波動(dòng)，由上一時(shí)刻的當(dāng)前儲(chǔ)能量和累積儲(chǔ)/放能變化量確定。

2.2 儲(chǔ)能特性關(guān)鍵指標(biāo)

基于上述關(guān)鍵參數(shù)，提出設(shè)計(jì)滿足度、當(dāng)前儲(chǔ)/放能空間和運(yùn)行利用率3 個(gè)指標(biāo)，建立了工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管存特性量化評(píng)估體系，用以從規(guī)劃設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行兩個(gè)方面充分量化評(píng)估工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)能潛力和實(shí)時(shí)儲(chǔ)能情況。

1）設(shè)計(jì)滿足度

設(shè)計(jì)滿足度為廣義儲(chǔ)能設(shè)備的最大儲(chǔ)能能力對(duì)過(guò)程工業(yè)綜合能源系統(tǒng)調(diào)度需求的滿足情況。

式中：χ為滿足度；為流體網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能的總調(diào)度空間。

2）當(dāng)前儲(chǔ)/放能空間

當(dāng)前儲(chǔ)/放能空間用于量化當(dāng)前狀態(tài)下廣義儲(chǔ)能設(shè)備向上、向下的可調(diào)度空間。

式中：?+(t)為當(dāng)前向上儲(chǔ)能空間；?-(t)為當(dāng)前向下放能空間。

3）運(yùn)行利用率

定義運(yùn)行利用率為廣義儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)/放能空間的利用率。

式中：η+(t)為儲(chǔ)能利用率；η-(t)為放能利用率。

最終工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管存特性量化模型的求解流程如圖1所示。

圖1 工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管存特性量化評(píng)估流程Fig.1 Quantitative evaluation process of dynamic storage characteristics of industrial energy networks

3 模型驗(yàn)證與方法對(duì)比

針對(duì)上海供汽管線，同時(shí)利用APROS軟件和蒸汽網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)水力模型開(kāi)展仿真求解并對(duì)比結(jié)果。APROS是一款由芬蘭研發(fā)的熱力發(fā)電廠工藝過(guò)程及其自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，能夠針對(duì)涵蓋熱水、蒸汽、天然氣、壓縮空氣等多種能源流體的復(fù)雜輸運(yùn)、變換過(guò)程開(kāi)展動(dòng)態(tài)模擬，支撐調(diào)度控制、仿真培訓(xùn)等研究需求。APROS采用有限差分法對(duì)能流輸運(yùn)過(guò)程展開(kāi)動(dòng)態(tài)仿真［17］。

為探究本文提出的工業(yè)蒸汽網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)水力模型的仿真效果，設(shè)置了固定首端壓力、線性變化末端流量的場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證。末端流量在20 000 s開(kāi)始線性增加，經(jīng)過(guò)1 800 s，從8 kg/s 的額定流量變化為9 kg/s，如圖2所示。在蒸汽網(wǎng)絡(luò)水力動(dòng)態(tài)模型求解下，首端流量與末端流量變化趨勢(shì)保持高度一致，且其結(jié)果與APROS仿真結(jié)果幾乎完全重合。末端壓力即刻響應(yīng)末端流量的變化，本文采用方法求解的結(jié)果與APROS運(yùn)行結(jié)果趨勢(shì)完全一致，計(jì)算誤差控制在0.64%以內(nèi)，且求解時(shí)間為0.12 s，而APROS 求解時(shí)間為4.15 s，可見(jiàn)本文方法在仿真時(shí)間上明顯好于APROS。

圖2 末端流量變化時(shí)管道兩端流量與壓力變化結(jié)果Fig.2 The result of the flow rate and pressure change at both ends of the pipe when the end flow rate changes

通過(guò)不同場(chǎng)景仿真結(jié)果的比較，本文方法仿真結(jié)果與APROS結(jié)果最大誤差為0.64%，在工業(yè)場(chǎng)景下完全可以忽略，且對(duì)于蒸汽網(wǎng)絡(luò)管存特性的刻畫(huà)更符合實(shí)際過(guò)程中的時(shí)滯效應(yīng)，表現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過(guò)程中的充能、放能過(guò)程，而這一現(xiàn)象在APROS的仿真結(jié)果中未體現(xiàn)。因此，本算例驗(yàn)證了本文在蒸汽網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用中的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)果與討論

4.1 研究對(duì)象

本文以某城市大型蒸汽供應(yīng)子系統(tǒng)為例，研究廣義儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能特性關(guān)鍵參數(shù)和管存特性。該蒸汽供應(yīng)子系統(tǒng)運(yùn)行總長(zhǎng)度超過(guò)600 km，南北直線距離約40 km。蒸汽供應(yīng)溫度范圍為270～300 ℃，壓力范圍為0.6～1.2 MPa。在此大型蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)中，本文選擇了一個(gè)獨(dú)立的蒸汽供應(yīng)子系統(tǒng)作為研究對(duì)象。該蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)含有2個(gè)蒸汽熱源，為65個(gè)工業(yè)用戶供應(yīng)蒸汽。其中，節(jié)點(diǎn)65的蒸汽熱源為由其他公司供應(yīng)支撐的被動(dòng)熱源，無(wú)法作為被優(yōu)化對(duì)象參與運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃。

以該蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)為對(duì)象展開(kāi)動(dòng)態(tài)管存特性量化分析，其中蒸汽熱源所在位置為熱源節(jié)點(diǎn)，工業(yè)用戶所在位置為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。運(yùn)行工況仿真是研究動(dòng)態(tài)管存特性量化的前提?；谀繕?biāo)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，通過(guò)工業(yè)蒸汽網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)水力模型開(kāi)展蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模擬，模型參數(shù)設(shè)置如表1 所示。表1 中，Δvd為流速基值修正過(guò)程中的迭代速度誤差；Tb為參考溫度（利用源側(cè)和用戶側(cè)溫度的加權(quán)平均值描述）；dtsd為當(dāng)前儲(chǔ)/放能空間的為調(diào)度步長(zhǎng)；為截?cái)囝l率計(jì)算過(guò)程中的信息序列的截?cái)嗾`差；τtf為求解時(shí)間窗口計(jì)算過(guò)程中的首尾兩端預(yù)留時(shí)間。

表1 目標(biāo)系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters for the target system

圖3 目標(biāo)蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of the target steam supply system

本文將該蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)在2021年12月的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)作為量化研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該組數(shù)據(jù)將作為計(jì)算必須儲(chǔ)能量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被劃分為若干個(gè)調(diào)度周期，從而計(jì)算該蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)作為廣義儲(chǔ)能設(shè)備必須貯存的蒸汽量。同時(shí)，選取了該蒸汽系統(tǒng)在12 月中的一個(gè)運(yùn)行工況作為量化動(dòng)態(tài)管存特性的研究場(chǎng)景，其蒸汽熱源供能曲線和總用能曲線如圖4所示。

圖4 目標(biāo)系統(tǒng)蒸汽供應(yīng)和需求曲線Fig.4 Steam supply and demand curves of the target system

4.2 儲(chǔ)能特性結(jié)果與分析

儲(chǔ)能特性關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算是量化評(píng)估廣義儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)能能力的基礎(chǔ)。必須儲(chǔ)能量和最大、最小儲(chǔ)能量都是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)儲(chǔ)能能力的量度，其結(jié)果如表2所示。儲(chǔ)/放能速率和累積儲(chǔ)/放能變化量這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)則跟隨運(yùn)行工況變化，具有時(shí)間特性，其結(jié)果如圖5所示。

表2 目標(biāo)系統(tǒng)儲(chǔ)能特性關(guān)鍵參數(shù)Table 2 Key parameters of energy storage characteristics of the target system

圖5 目標(biāo)系統(tǒng)儲(chǔ)能特性關(guān)鍵參數(shù)Fig.5 Key parameters of energy storage characteristics of the target system

由于相較于熱水，蒸汽在網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)中表現(xiàn)出更大的波動(dòng)性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控經(jīng)驗(yàn)，在計(jì)算本案例的必須儲(chǔ)能量時(shí)，選取的蒸汽系統(tǒng)調(diào)度周期為0.5 h。最大、最小儲(chǔ)能量構(gòu)成了該工業(yè)蒸汽網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)能安全可行空間［11 509.68， 18 949.98］ kg，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，蒸汽網(wǎng)絡(luò)中的蒸汽當(dāng)前儲(chǔ)汽量應(yīng)保持在這個(gè)范圍內(nèi)。由此計(jì)算該蒸汽網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)能調(diào)度空間為7 440.30 kg。

當(dāng)前儲(chǔ)能量體現(xiàn)累積儲(chǔ)/放能變化量基于初始儲(chǔ)能量的變化，其曲線趨勢(shì)與累積儲(chǔ)/放能變化量一致。儲(chǔ)/放能速率體現(xiàn)供需之間的實(shí)時(shí)平衡關(guān)系。蒸汽熱源提前獲知了蒸汽用戶的需求曲線，并通過(guò)實(shí)時(shí)或提前調(diào)度來(lái)響應(yīng)需求變化。蒸汽系統(tǒng)中的儲(chǔ)/放能速率跟隨其熱源機(jī)組出力策略的變化而變化。由于調(diào)度周期較短，儲(chǔ)/放能速率持續(xù)在小范圍內(nèi)波動(dòng)，即在高工作負(fù)荷下時(shí)刻處于快速儲(chǔ)/放蒸汽狀態(tài)，表現(xiàn)出更大的波動(dòng)性。累積儲(chǔ)/放能變化量體現(xiàn)儲(chǔ)/放能速率的累積效應(yīng)，反映蒸汽網(wǎng)絡(luò)在參與蒸汽系統(tǒng)調(diào)度中的工作負(fù)荷。

4.3 管存特性結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)滿足度是蒸汽網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能潛力的量度。為校驗(yàn)本案例中的工業(yè)蒸汽網(wǎng)絡(luò)作為廣義儲(chǔ)能設(shè)備參與調(diào)度的能力，在上述計(jì)算中以0.5 h為調(diào)度周期計(jì)算了該網(wǎng)絡(luò)的必須儲(chǔ)能量為42.24 kg。進(jìn)一步計(jì)算蒸汽儲(chǔ)能調(diào)度空間后，獲得該網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)能滿足度為1。結(jié)果表明，本案例中的蒸汽網(wǎng)絡(luò)能夠完全滿足蒸汽系統(tǒng)的調(diào)度需求，無(wú)需配置額外物理儲(chǔ)能設(shè)備。由于通過(guò)離散后的調(diào)度步長(zhǎng)中的供需差積分曲線計(jì)算，必須儲(chǔ)能量與系統(tǒng)調(diào)度周期相關(guān)，當(dāng)蒸汽系統(tǒng)的調(diào)度周期從0.5 h延長(zhǎng)至2 h時(shí)，該蒸汽網(wǎng)絡(luò)的必須儲(chǔ)能量由42.24 kg增加到2 270.53 kg，但仍遠(yuǎn)小于蒸汽儲(chǔ)能調(diào)度空間7 440.30 kg。這表明本案例的工業(yè)蒸汽網(wǎng)絡(luò)能夠完全滿足蒸汽系統(tǒng)日常調(diào)度中的儲(chǔ)能需求，從而充分驗(yàn)證了本案例中的蒸汽系統(tǒng)配置方案的正確性。

當(dāng)前儲(chǔ)/放能空間由當(dāng)前向上儲(chǔ)能空間和當(dāng)前向下放能空間構(gòu)成。蒸汽熱源傾向于在滿足蒸汽用戶需求的基礎(chǔ)上盡量減少供應(yīng)，從而提升經(jīng)濟(jì)效益。目標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)前儲(chǔ)/放能空間結(jié)果如圖6所示。由于蒸汽網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能的巨大潛力，其儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)空間遠(yuǎn)大于放能。目標(biāo)系統(tǒng)的當(dāng)前儲(chǔ)/放能空間在運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)出更大波動(dòng)，與其累積儲(chǔ)/放能變化趨勢(shì)一致。該現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)組出力調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為10 min，將蒸汽網(wǎng)絡(luò)管存特性納入操作決策中后，現(xiàn)場(chǎng)要求在1 h內(nèi)完成提前充能過(guò)程，并將機(jī)組出力恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖6 目標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)前儲(chǔ)/放能空間Fig.6 The current storage/discharge space of the target system

基于這一實(shí)際需求，以運(yùn)行工況下的1 h 為例，計(jì)算該蒸汽網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)/放能空間如表3 所示。這一數(shù)據(jù)將為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的實(shí)際調(diào)控操作提供理論依據(jù)支撐，指導(dǎo)其保障蒸汽系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

表3 目標(biāo)系統(tǒng)向上儲(chǔ)能空間和向下儲(chǔ)能空間結(jié)果Table 3 The results of the target system's upward energy storage space and downward energy storage spaces

運(yùn)行利用率刻畫(huà)廣義儲(chǔ)能設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)動(dòng)態(tài)管存特性的利用情況。因此，在計(jì)算運(yùn)行利用率時(shí)，將儲(chǔ)能利用率和放能利用率基于初始儲(chǔ)能量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而可以統(tǒng)一評(píng)估不同工況下或不同蒸汽網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行利用率。如圖7所示，對(duì)于本案例的蒸汽網(wǎng)絡(luò)，蒸汽系統(tǒng)以相對(duì)平衡的方式進(jìn)行儲(chǔ)能、放能，蒸汽網(wǎng)絡(luò)處于快速充、放能狀態(tài)。結(jié)合圖4中蒸汽熱源出力與需求曲線分析可知，在2 800～3 500 s 期間，蒸汽網(wǎng)絡(luò)通過(guò)儲(chǔ)能、放能過(guò)程吸收了蒸汽熱源機(jī)組出力的波動(dòng)。這一現(xiàn)象證實(shí)了蒸汽網(wǎng)絡(luò)作為廣義儲(chǔ)能設(shè)備的管存能力參與調(diào)度后對(duì)熱源出力的調(diào)節(jié)作用，可以被利用以使供能曲線更為平穩(wěn)，避免快速升降負(fù)荷，從而提升機(jī)組運(yùn)行效率。

圖7 目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行利用率Fig.7 Operational utilization rate of the target system

表4 展示了運(yùn)行利用率的最大值和均值結(jié)果，放能利用率的最大值和均值都遠(yuǎn)大于放能利用率，這是由儲(chǔ)能空間更大所決定的。蒸汽系統(tǒng)對(duì)蒸汽網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能能力利用更為充分，說(shuō)明該調(diào)度策略有針對(duì)性地將蒸汽提前貯存進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中以應(yīng)對(duì)用汽高峰，使在10 000 s后蒸汽熱源1的整體出力較為平穩(wěn)。工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管存特性量化模型在本算例中的應(yīng)用充分證明了建立的3個(gè)儲(chǔ)能特性指標(biāo)對(duì)于揭示蒸汽網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能潛力、儲(chǔ)能能力利用情況，幫助解釋蒸汽系統(tǒng)調(diào)度策略對(duì)蒸汽網(wǎng)絡(luò)利用影響方面的有效性。

表4 目標(biāo)系統(tǒng)利用率參數(shù)Table 4 Operational rate parameters of the target system

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了工業(yè)綜合能源系統(tǒng)中能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)建模方法，并針對(duì)工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)的管存特性進(jìn)行了量化分析，主要內(nèi)容可概括為：

1）針對(duì)蒸汽網(wǎng)絡(luò)建立了統(tǒng)一的能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管存特性量化評(píng)估體系，凝練了5個(gè)廣義儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能特性關(guān)鍵參數(shù)和3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，從規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)度兩個(gè)層面全面量化評(píng)估了工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)能潛力及實(shí)時(shí)儲(chǔ)能利用情況。

2）面向城市級(jí)獨(dú)立蒸汽供應(yīng)子系統(tǒng)，利用動(dòng)態(tài)管存特性量化模型進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該模型在量化工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)作為廣義儲(chǔ)能設(shè)備在儲(chǔ)能潛力及實(shí)時(shí)儲(chǔ)能利用方面的有效性。該蒸汽網(wǎng)絡(luò)在0.5 h調(diào)度周期下的儲(chǔ)能調(diào)度空間為7 440.30 kg，設(shè)計(jì)滿足度為1，無(wú)需配置額外物理儲(chǔ)能設(shè)備；放能能力達(dá)到了10.16 t，平均放能利用率達(dá)到了14.59%，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控提供理論支撐。

3）從蒸汽的管存特性出發(fā)，充分揭示工業(yè)能源網(wǎng)絡(luò)作為廣義儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能機(jī)理和特性，可直接將蒸汽管存特性用于包含于電蒸汽綜合能源系統(tǒng)，通過(guò)電熱互補(bǔ)提高工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的效率，為工業(yè)低碳綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

此外，本文建立的流體網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管存量化模型對(duì)管存的量化未能細(xì)化到管道層級(jí)，未來(lái)還需分析對(duì)儲(chǔ)能潛力在網(wǎng)絡(luò)中的空間分布和各個(gè)管道內(nèi)的實(shí)時(shí)儲(chǔ)能情況。本文以蒸汽系統(tǒng)為研究對(duì)象，未來(lái)應(yīng)將能源網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型拓展至熱水等流體，形成工業(yè)綜合能源系統(tǒng)研究理論體系。